[論文レビュー] Golden Probe of the di$-Υ$ Threshold

Yi Chen, Roberto Vega-Morales|arXiv (Cornell University)|Oct 7, 2017

Particle physics theoretical and experimental studies被引用数 7

ひとこと要約

本論文では、LHCにおける二Υエネルギー門限付近のスピン0の仮説的励起状態のCPおよびテンソル性質を、四レプトン終状態における正規化された完全微分断面積を用いて探る手法を提案する。有効場理論のオペレーターを用いた行列要素法フレームワークを用い、わずか10〜100個の信号イベントでも、励起状態のCPおよびテンソル構造を直接特定可能であることを示した。これは、四ボトムクォークQCD四クォーク状態と標準模型を超えたよりエキゾチックな物理学を区別する強力な手法を提供する。

ABSTRACT

Recent studies indicate that the ground state of a QCD four bottom quark system may form a resonance in the range $\sim 18 -19$ GeV, near the di-$Υ$ threshold, which may be observable at the LHC in the four lepton final state. These studies also predict a variety of possible resonances associated with the various excited states and allow for a number of possible spin and $CP$ quantum numbers. Of course, even if a resonance is observed in four leptons in the predicted mass range, it will be prudent to experimentally confirm its four bottom quark QCD nature or whether it is perhaps something more exotic. We initiate an investigation in this direction by exploring the ability of the \emph{normalized} fully differential decay width for decays to four leptons to probe the underlying nature of a putative resonance including $CP$ and tensor properties. We assume the first observed state is a spin-0 boson decaying to at least one on-shell $Υ$, but allow for decays to four leptons through $ΥΥ,\,Υγ$, and $ΥZ$ vector boson pairs. We consider a range of resonance masses around the di-$Υ$ threshold and find excellent prospects at the LHC for establishing its $CP$ and tensor properties, perhaps not long after a discovery depending on (unknown) production cross sections and the exact resonance mass.

研究の動機と目的

• LHCが二Υエネルギー門限付近の仮説的励起状態のCPおよびテンソル量子数を四レプトン崩壊を用いて特定できるかを調査すること。
• 四レプトン崩壊チャネルの感度が、四ボトムクォーク四クォーク状態と標準模型を超えたエキゾチックな物理学を区別できるかを評価すること。
• 有効結合に関する最小限の仮定のもとで、正規化された完全微分断面積を用いた励起状態の性質の探査の実現可能性を評価すること。
• 行列要素法解析の潜在的役割を、レア崩壊におけるフォーム因子の抽出およびCP違反効果の検出に探ること。
• 今後、18–19 GeVの四レプトン質量領域で観測された場合に、励起状態の性質を実験的に検証するためのフレームワークを提供すること。

提案手法

• 本研究では、スピン0の励起状態がベクトルボソン対（ΥΥ、ΥZ、Υγ）と相互作用する際の一般化された有効場理論フレームワークを用いて、結合をモデル化する。
• 行列要素法（MEM）を用いて、QCDの一次結合を含む四レプトンへの完全微分断面積を分析する。
• 有効オペレーターが1つずつ支配的になると仮定した仮説検定を実施し、Υ、Z、γベクトルボソンへの結合を検討する。
• 励起状態の質量が二Υエネルギー門限の上、下、および門限付近にある場合を検討し、特に門限から約500 MeV下の状態に注目する。
• 信号イベント数に基づいて感度を評価し、検出器のエネルギー分解能と干渉効果が結果に与える影響を重点的に検討する。
• このフレームワークは、将来的にフォーム因子の抽出やCP違反の探査を目的とした多パラメータフィットへの拡張が可能である。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 LHCは、四レプトン崩壊を用いて、二Υエネルギー門限付近の仮説的励起状態のCP量子数を特定できるか？
• RQ2 正規化された完全微分断面積は、崩壊チェーンにおけるΥ、Z、γ寄与の区別にどの程度感度を示すか？
• RQ3 四レプトンに崩壊する励起状態のテンソルおよびCP構造を特定するために、最低何個の信号イベントが必要か？
• RQ4 異なる有効オペレーター間の干渉効果は、四レプトン終状態で探査可能か？
• RQ5 検出器のエネルギー分解能効果は、CPおよびテンソル性質の測定精度にどのような役割を果たすか？

主な発見

• 四レプトン終状態でわずか10〜100個の信号イベントがあれば、二Υエネルギー門限付近の励起状態のCPおよびテンソル性質を調べることが可能である。
• 正規化された完全微分断面積は、CP奇性および結合におけるテンソル構造を含む、基礎的な力学に強く感度を示す。
• ΥγまたはΥZ寄与がΥΥ寄与を上回る場合、これは標準模型を超えた新しい物理学の強い兆候である。
• 異なる有効オペレーター間の干渉効果は重要であり、将来的な多パラメータフィットにおいて複数のフォーム因子を抽出可能である。
• 検出器のエネルギー分解能効果は顕著な影響を及ぼすものと予想され、正確な感度評価にはこれを組み込む必要がある。
• 本手法は、四レプトンに崩壊する任意の軽いスカラー励起状態に一般化可能であり、他のエキゾチックなマルチクォーク状態にも適用可能である。